Connectivity Wie das »I« ins IoT kommt

Um »die Dinge« des IoT zu vernetzen muss eine Netzwerktechnik integriert werden. Dabei haben Entwickler zahlreiche Wahlmöglichkeiten. Sechs Alternativen und ihre Vor- und Nachteile für IoT-Designs.

IoT-Lösungen bestehen häufig aus Hunderten oder Tausenden vernetzter Edge-Geräte. Solche Geräte, die die Verbindung zwischen Netzwerk und physischer Welt herstellen, unterliegen typischen Designbeschränkungen: sie dürfen nicht viel Energie verbrauchen und die Kosten für die Datenübertragung sollen niedrig sein. Je mehr Edge-Knoten zu einer Anwendung zählen, desto stärker werden die Beschränkungen. Denn bei Massenanwendungen kann die Art und Weise, wie ein Produkt mit dem Internet verbunden ist, darüber entscheiden, ob es erfolgreich ist oder nicht.

Ethernet

Ethernet ist eine schnelle und zuverlässige Möglichkeit, Dinge mit dem Internet zu verbinden. Ethernet ist in der Industrie- und Gebäudeautomation weit verbreitet und bietet Vorteile in Systemen, die viele Knoten im selben Netzwerk enthalten.

Da Ethernet fest verdrahtet ist, ist es auch von Natur aus eine sehr sichere Verbindungsmethode. Geräte lassen sich auch über das Ethernet-Kabel mittels Power-over-Ethernet (PoE) mit Strom versorgen, sodass kein separates Stromversorgungsmodul beziehungsweise Netzteil erforderlich ist.

Die Verkabelung ist jedoch mit erheblichem Aufwand verbunden und macht sicherlich nicht für jede Anwendung Sinn. Über Ethernet verbundene Knoten müssen sich in der Nähe eines Routers befinden. Selbst bei Anwendungen mit kurzen Entfernungen wie der Haus- und Gebäudeautomation ist die Ethernet-Verkabelung so umfangreich, dass das Verlegen und Verdecken der Kabel eine Herausforderung darstellt. In modernen Gebäuden werden automatisierte Beleuchtungssysteme während der Bauphase fest verdrahtet, aber die Installation eines Ethernet-IoT-Systems in einem nicht dafür ausgelegten Gebäude, ist oft nicht möglich.

Wi-Fi/WLAN

Als allgegenwärtige Internetverbindung ist die drahtlose Wi-Fi- beziehungsweise WLAN-Technik äußerst beliebt. Sie wird von allen Mainstream-Geräten unterstützt und weist nicht die Einschränkungen auf, die eine Ethernet-Verkabelung mit sich bringt.

Trotz der weiten Verbreitung ist das Hinzufügen von WLAN-Funktionen zu einem Embedded-Design meist komplex. WLAN ist attraktiv, weil es drahtlos und schnell ist – aber diese Funktionen gehen zu Lasten von Sicherheit und Leistungsaufnahme. Daher muss ein Entwickler bei WLAN-basierten IoT-Designs ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Sicherheit, Stromverbrauch und Kosten herstellen.

Zum Glück gibt es heute Lösungen, mit denen Entwickler diese Barrieren überwinden können. Die Verwendung eines IoT-optimierten WLAN-Moduls vereinfacht das Design und spart Entwicklungszeit. Module wie das WINC1500 sind bereits zertifiziert, unterstützen Sicherheitsprotokolle und sind für batteriebetriebene Geräte optimiert. Sie ermöglichen eine WLAN-Anbindung, ohne Kompromisse bei Kosten und Stromverbrauch eingehen zu müssen.

Low-Power Wide Area Network (LPWAN)

LPWANs sind im Consumer-Bereich weniger verbreitet, sodass sie vielen Menschen nicht so vertraut sind. Ein erheblicher Teil der IoT-Anwendungen entfällt auf weiträumige Anwendungen, beispielsweise die Umgebungsüberwachung. Der Vorteil des IoT dabei ist, dass sich ländliche, seegestützte und allgemein unzugängliche Gebiete überwachen lassen. Das Problem ist, dass diese Standorte im Allgemeinen schwer zu erreichen sind. Ein Gerät, das sich im Mariannengraben befindet, kann man eben nicht mal schnell aufladen und in der Sahara lässt sich auch keine WLAN-Verbindung herstellen.

Die Reichweiten bei typischer LPWAN-Nutzung scheinen bei 10 km zu liegen. Die Datenübertragung erfolgt sehr langsam, aber wenn eine IoT-Lösung keine E-Mails abruft und Videos streamt, benötigt man auch keine Hochgeschwindigkeitsverbindung.

LPWANs werden zwar häufig in der Landwirtschaft (Bild 1) und in abgelegenen Gebieten eingesetzt, sind jedoch nicht ausschließlich dafür bestimmt. Die städtische Nutzung nimmt zu, und einer der größten kommerziellen LPWAN-IoT-Einsätze in Nordamerika wird zum Verfolgen von Fahrzeugen auf Auktionsplätzen verwendet.

Es gibt zwei gängige LPWAN-Protokolle: LoRaWAN (Long Range beziehungsweise LoRa) und Sigfox. Ein Unterschied zwischen den beiden ist der Preis. Sigfox ist ein Abonnement-Dienst und funktioniert ähnlich wie das Mobilfunknetz. Ist Sigfox in der Nähe verfügbar, lässt sich eine Verbindung über ein Abo mit einem lokalen Anbieter herstellen. Mit LoRaWAN lässt sich eine Abonnementgebühr vermeiden, indem ein »Do-it-yourself«-Netzwerk eingerichtet wird. Die meisten entscheiden sich jedoch weiterhin für die LoRa-Gateway-Infrastruktur eines lokalen Netzwerkanbieters und zahlen eine Nutzungsgebühr.

Mobilfunk

Abgesehen von extrem ländlichen und abgelegenen Gebieten ist fast die gesamte Welt durch Mobilfunk abgedeckt. Für Embedded-Systeme, die weltweit eingesetzt werden sollen, ist Mobilfunk die einzige Option. Sie ist jedoch teuer, man muss einen Anbieter nutzen und darf ohne behördliche Genehmigung kein eigenes Netzwerk einrichten. Die Kosten für die Embedded-Komponenten und Anbietergebühren für jeden Knoten übersteigen häufig die Vorteile der großen Reichweite von Mobilfunknetzen.

Dabei ist es wichtig, das für die Vernetzung der IoT-Geräte gewählte Mobilfunknetz von der Rechnung zu unterscheiden, die einmal im Monat für das Telefon gezahlt werden muss. IoT-spezifische Mobilfunknetze treten in Konkurrenz zu LPWANs auf. Ein wachsendes IoT-Mobilfunknetz ist LTE CAT-M. Das M steht für »Machine« und ist eine für das IoT optimierte Option mit geringerer Geschwindigkeit, weniger Kosten und geringerem Stromverbrauch. Während eine Mobilfunkrechnung beträchtlich sein kann, kostet ein CAT-M-Vertrag für 5 MB Daten etwa 7 US-Dollar pro Monat. Weitere Optionen für mobilfunkgstütze IoT-Verbindungen sind CAT-0, CAT-1 und das neuere NB-IoT (NB für »Narrow Band«).

Mit der Einführung von 5G sind Neuerungen im IoT-Markt zu erwarten. Die höheren Geschwindigkeiten von 5G ermöglichen Fortschritte bei hochmodernen IoT-Anwendungen wie autonomem Fahren – wenn auch zu einem höheren Preis als bei IoT-spezifischen Netzen. Die 5G-Abdeckung ist nicht annähernd so weit verbreitet wie LTE oder 3G, aber sie nimmt zu. Einige Branchenanalysten gehen davon aus, dass 5G in den nächsten fünf Jahren bis zu 20 % der Weltbevölkerung erreichen wird.wird zwar erwartet, dass sic

Satellit

Das Mobilfunknetz deckt zwar den größten Teil der bevölkerten Welt ab, aber wie steht es mit Dingen, die in entlegenen und unbevölkerten Gebieten vernetzt werden müssen, beispielsweise auf See? Satellitenanbindung wird für IoT-Anwendungen wie Versandlogistik in abgelegenen Regionen verwendet, die nicht durch Mobilfunk abgedeckt werden. Es

h die Satellitentechnologie im Laufe der Zeit ändern wird, die Entwicklung einer Satelliten-IoT-Anwendung ist jedoch nicht so zugänglich wie bei anderen Verbindungsmethoden (Bild 2). Viele Satellitenkonstellationen sind für die Verteidigung reserviert; es sind jedoch Module von Iridium und Orbcomm erhältlich.

Bluetooth

Bluetooth hat – ebenso wie WLAN – eine große Verbreitung erlangt und ist entsprechend bekannt. Sowohl Bluetooth Classic als auch Bluetooth-low-Energy (BLE) haben eine maximale Reichweite von mehr als 100 m im Freien, werden aber meist für Geräte verwendet, die nur wenige Meter voneinander entfernt sind. Im täglichen Leben sehen wir Bluetooth als Zubehör für unser Telefon und unseren PC: Kopfhörer, Tastaturen und Displays.

Bluetooth eignet sich hervorragend für Konsumelektronik, da es einen geringen Stromverbrauch aufweist (wobei BLE einem noch geringen Stromverbrauch entspricht), breite Unterstützung erfährt und ein schnelles Pairing ermöglicht.

Im Gegensatz zu WLAN stellt Bluetooth keine direkte Verbindung zum Internet her. Dazu ist ein Gateway ist erforderlich. Das Einrichten eines eigenen Gateways mag zwar entmutigend erscheinen, ist jedoch häufig so einfach wie das Herstellen einer Verbindung zu einem mobilen Gerät, das auch eine Verbindung zum WLAN herstellt.

Bluetooth 5.0 ist ein aktuelles Update, das die Reichweite von Bluetooth erhöht, sodass es in Heimnetzwerken eingesetzt werden kann. Während Bluetooth Classic und Bluetooth LE meist zum Verbinden von Geräten verwendet werden, die nur wenige Meter voneinander entfernt sind, lässt sich mit Bluetooth 5.0 ein ganzes Haus vernetzen. Diese höhere Reichweite bringt Bluetooth in die Bereiche Hausautomatisierung, Beleuchtung und industrielle Anwendungen.

Mit Modulen schneller zum Ziel

Ein wesentlicher Unterschied zwischen diesen Verbindungsmethoden ist die einfache Implementierung. Häufig verwendete Netzwerke wie WLAN und Bluetooth sind oft der einfachste Weg, IoT-Designs zu evaluieren und zu untersuchen. Diese Netzwerke erfordern kein eigenes Gateway und keine Zahlung an einen Provider.

Den Anwendern stehen mehrere WLAN- und Bluetooth-Prototyping-Module zur Verfügung. Viele enthalten Open-Source-Code und Anleitungen zur Programmierung. Der Einsatz von Modulen wird empfohlen, da sie das Design flexibler gestalten. Muss das Design an ein anderes Netzwerk angepasst werden, so lässt sich das Modul austauschen, anstatt bei Null anfangen zu müssen.

Die Verbindung zum Internet ist nur ein Bestandteil des IoT-Designs. IoT-Systeme sollten drei Aspekte erfüllen: intelligent (smart), vernetzt und sicher. Dies entspricht drei elektronischen Bauelementen: Mikrocontroller (MCU), Verbindungsmodul und Sicherheitschip (Secure Element). Die Herausforderung des IoT-Designs besteht in der Integration dieser drei Bauteile.

Das AVR-IoT-WG-Entwicklungsboard (Bild 3) von Microchip ist ein Beispiel für eine optimierte WLAN-Entwicklungsplattform. Das Board ist für eine sichere Verbindung mit der Google-Cloud vorkonfiguriert. Mit einem Secure-Element, einem WLAN-Controller und einem Mikrocontroller auf einem Board lässt sich damit ein Großteil der aufwändigen Entwicklungsarbeit überspringen und zum Wesentlichen kommen: der Innovationen und schnelleren Markteinführung des IoT-Produkts.

Das Uno-WiFi Rev 2 Board von Arduino bietet ebenfalls intelligente, vernetzte und sichere Elemente. Arduino bietet eine aktive Prototyping-Community mit vielen Online-Tutorials und Open-Source-Code.

MikroElektronika Click Boards (Bild 4) sind Rapid-Prototyping-Module, die direkt mit dem AVR-IoT-WG-Entwicklungsboard oder über ein Shield für das Uno WiFi Rev 2 verbunden werden. Mit mehreren verfügbaren Click-Boards für die Vernetzung, einschließlich einer Reihe von LoRa- und Bluetooth-Modulen, bieten diese Boards eine einfache Möglichkeit, IoT-Designs während der Prototyping-Phase um eine Datenanbindung zu erweitern.

Mit benutzerfreundlichen Tools wie Arduino und dem AVR-IoT-WG-Entwicklungsboard war die Entwicklung von IoT-Geräten/Systemen noch nie so einfach. Ob für professionelle Entwickler von Embedded-Systemen oder Maker – mit diesen Hilfsmitteln kann ein IoT-Netzwerk einfach aufgebaut werden.

Diese Zugänglichkeit, gepaart mit einer zunehmend vernetzten Welt, stellt sicher, dass die Datenanbindung den Fortschritt in noch nie dagewesener Weise vorantreiben wird. (jk)